Bulletin Officiel du ministère de l`Education Nationale et du ministère
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Bulletin Officiel du ministère de l'Education Nationale et du ministère de la Recherche HS N°7 du 31 août www.education.gouv.fr/bo/2000/hs7/vol5vie.htm - [email protected] CLASSE DE PREMIERE SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE SÉRIE SCIENTIFIQUE ENSEIGNEMENT OBLIGATOIRE A. du 9-8-2000. JO du 22-8-2000 NOR : MENE0002063A RLR : 524-6 MEN - DESCO A4 Vu L. d'orient. n° 89-486 du 10-7-1989 mod. ; D. n° 90-179 du 23-2-1990 ; A. du 10-7-1992 ; A. du 18-3-1999 mod. ; avis du CNP du 27-6-2000 ; avis du CSE du 11-7-2000 Article 1 - À compter de l'année scolaire 2001-2002, les dispositions de l'arrêté du 10 juillet 1992 susvisés relatives au programme de l'enseignement obligatoire des sciences de la vie et de la Terre de la classe de première de la série scientifique sont annulées et remplacées par celles figurant en annexe du présent arrêté. Article 2 - Le directeur de l'enseignement scolaire est chargé de l'exécution du présent arrêté qui sera publié au Journal officiel de la République française. Fait à Paris, le 9 août 2000 Pour le ministre de l'éducation nationale et par délégation, Le directeur de l'enseignement scolaire Jean-Paul de GAUDEMAR Annexe Sciences de la vie et de la Terre Série scientifique Nouveau programme applicable à compter de l'année scolaire 2001-2002 PRÉSENTATION GÉNÉRALE Objectifs et organisation L'enseignement des sciences de la vie et de la Terre constitue un élément clef de la formation scientifique. En cohérence avec les enseignements du collège et de la classe de seconde, le programme permet d'acquérir des connaissances fondamentales du champ disciplinaire, en mettant l'accent sur le raisonnement scientifique, les démarches expérimentales et la mise en œuvre des techniques. Ces connaissances, associées à la pratique expérimentale, participent au développement de l'esprit critique requis pour appréhender les enjeux éthiques et sociaux associés au progrès scientifique et aux nouvelles technologies. Fondé sur des notions acquises dans d'autres disciplines, notamment en physique-chimie, ce programme contribue à l'orientation positive des élèves vers les carrières scientifiques. SCIENCES DE LA VIE L'ensemble du programme s'articule autour des relations existant entre le génotype d'un organisme et son phénotype. Dans un premier temps, la notion de phénotype est étudiée à différentes échelles : macroscopique, cellulaire et moléculaire. Les différents niveaux d'organisation une fois établis, le rôle fondamental des protéines dans la réalisation du phénotype est approfondie à travers l'exemple des protéines enzymatiques. L'étude de la synthèse des protéines permet, en s'appuyant sur les acquis de la classe de seconde, d'établir le lien entre gènes et protéines. La compréhension du fait que la diversité phénotypique résulte d'interactions complexes entre la variabilité génétique et l'environnement est l'aboutissement logique de cette progression. Dans un second temps, l'étude de la morphogénèse des végétaux offre l'occasion de relier différents processus cellulaires, permettant l'établissement du phénotype, à l'influence de certains facteurs de l'environnement. Elle apporte une illustration de l'intégration de ces processus et du rôle d'une hormone végétale : l'auxine. Un troisième volet prolonge l'étude de l'adaptation de l'organisme aux variations de l'environnement réalisée en classe de seconde. Il porte sur une fonction physiologique : la régulation de la glycémie. Son étude permet de construire la notion d'homéostat. Elle permet aussi de comprendre que la régulation de la glycémie est l'expression d'une information génétique multiple, modulée par les facteurs de l'environnement, en particulier l'alimentation. Elle est l'occasion de saisir les enjeux de la médecine prédictive et les problèmes éthiques soulevés par la connaissance des maladies génétiques. Une quatrième partie a pour objectif de dégager l'importance de l'expression du génotype et de la plasticité dans la formation du cerveau et dans l'individuation qui en dépend. Elle s'appuie sur la mobilisation des acquis des classes antérieures et approfondit les bases anatomiques et fonctionnelles de la communication nerveuse à travers l'étude du réflexe myotatique. La connaissance des phénomènes à l'échelle cellulaire et des mécanismes explicatifs des processus intégrateurs permet ensuite de traiter de la part du génotype dans le fonctionnement du système nerveux et de la neuroplasticité. SCIENCES DE LA TERRE L'ensemble du programme est centré sur la dynamique du globe ; il s'appuie sur la connaissance de la structure et de la composition chimique de la planète Terre. Prolongeant les acquis du collège et de la classe de seconde, il s'inscrit dans une démarche scientifique visant à la construction de modèles explicatifs qui constituent un cadre conceptuel au questionnement et à la pratique expérimentale. L'analyse de données expérimentales, notamment l'étude de la propagation des ondes sismiques et de la composition chimique de la Terre, permet d'accéder à un modèle de la structure de la Terre. Les mouvements relatifs des plaques lithosphériques, en particulier de divergence au niveau des dorsales océaniques, ainsi que la sédimentation, les activités tectoniques et magmatiques associées, sont étudiés. Cette étude des processus de surface est complétée par une approche des mouvements internes permettant de saisir le fonctionnement global de la machinerie thermique de la Terre. CLASSE DE TERRAIN La classe de terrain est un moyen privilégié pour favoriser le questionnement, l'observation, l'intégration des connaissances, à une échelle aisément accessible à l'élève. Partie intégrante du programme de sciences de la Terre, elle a pour objectif d'aider par la collecte des données de terrain à la démarche scientifique de construction d'une représentation globale de la dynamique de la Terre. En liaison avec le programme de sciences de la vie, elle a également pour objectif de permettre une approche concrète de la diversité morphologique des végétaux en relation avec différentes conditions d'environnement. Méthodologie L'enseignement s'organise autour de la construction du raisonnement scientifique et des approches expérimentales. Les différentes parties du programme reposent sur des activités pratiques permettant à l'élève de s'approprier les concepts, les méthodes, les techniques qui fondent la connaissance scientifique. Au cours des séances de travaux pratiques, l'élève apprend à saisir des données, à traiter des informations, à effectuer une synthèse, à construire éventuellement un modèle, à formuler une hypothèse et à développer l'esprit critique. Toute activité pratique permet la mise en œuvre des techniques dans une démarche d'investigation. Prenant en compte ces activités concrètes et expérimentales, le cours est l'occasion, par l'alternance de phases dialoguées et informatives, de mises au point et d'une organisation claire du savoir à mémoriser. La plupart des parties du programme se prêtent particulièrement bien à l'utilisation des techniques d'information et de communication (TIC), dont certaines sont étroitement liées au champ disciplinaire (mise en œuvre d'un dispositif expérimental assisté par ordinateur). L'acquisition des données expérimentales et leur traitement informatique sont l'occasion d'une analyse critique des résultats en fonction des montages expérimentaux. Les activités envisagées, permettant de réaliser ces objectifs, sont proposées dans la colonne de gauche des différentes parties du programme, en regard des notions et contenus qui s'y rapportent. Le professeur dispose d'une totale liberté pédagogique pour atteindre les objectifs fixés par le programme. Évaluation Dans un souci de cohérence et d'homogénéité, les notions et contenus exigibles sont clairement explicités. De même, les limites du programme sont précisées. Les évaluations, en cours et en fin d'apprentissage, sont programmées de manière à permettre la progression éducative de l'élève. Elles permettent d'éprouver les capacités de l'élève à mobiliser et appliquer les connaissances du programme, et à mettre en œuvre les méthodes et techniques qui pourront faire l'objet d'un contrôle en fin de scolarité. SCIENCES DE LA TERRE Thème général : structure, composition et dynamique de la Terre Horaire : 10 semaines à raison de 2 heures de cours par semaine et 2 heures de travaux pratiques. Ce programme s'appuie sur les acquis du collège et de la classe de seconde. La tectonique des plaques et les modèles de la structure et de la dynamique interne de la Terre fournissent un cadre de réflexion qui s'enrichit et évolue au fur et à mesure de l'accumulation des données. La démarche des scientifiques vise en permanence à enrichir les modèles de Terre, à les critiquer et donc à les faire évoluer pour parfaire la description du fonctionnement et de l'évolution de la planète qui est un système complexe. L'ordre de présentation des objectifs de connaissance n'impose aucune progression pédagogique particulière. Liberté dans la progression est donc laissée au professeur. Ainsi, il est possible de présenter d'abord les données pour aboutir à une présentation synthétique de la structure et du fonctionnement de la terre. L'enseignant peut aussi tenir compte davantage des acquis des classes antérieures et partir d'une présentation simplifiée des modèles de Terre qui constitueront une référence que l'élève s'approprie, utilise, questionne et enrichit dans sa progression au cours de l'année scolaire. La classe sur le terrain est un moyen privilégié d'aborder la géologie à une échelle aisément accessible aux élèves. Sur un affleurement ou face à un paysage offrant une grande diversité d'informations, l'élève est conduit à sélectionner un objet d'étude pertinent. Il apprend à observer et décrire les objets d'intérêt géologique, puis il en dégage des informations importantes. Il sollicite son imagination pour les interpréter et les intégrer à une représentation plus globale de la planète. La confrontation entre les données acquises sur le terrain et d'autres données choisies et présentées par le professeur permet d'orienter la réflexion des élèves vers l'un des thèmes du programme. Le professeur intègre la sortie sur le terrain dans sa progression pédagogique et la place au moment jugé le plus opportun en fonction notamment du site retenu. Les roches sédimentaires représentent un faible volume de la planète et, de ce fait, peuvent être négligées quand on établit une composition chimique globale de la Terre. Néanmoins, elles sont des enregistreurs privilégiés de l'histoire de la Terre, de la tectonique des plaques et des changements de l'environnement terrestre. Ces aspects sont abordés en première à l'occasion de l'étude des marges passives et seront développés en terminale. ACTIVITÉS ENVISAGEABLES NOTIONS ET CONTENUS Structure et composition chimique de la Terre interne (durée indicative : 3 semaines) Origine, différenciation et structure interne de la Terre L'étude de la propagation des ondes sismiques montre que la Terre est structurée en enveloppesconcentriques de tailles, masses et masses volumiques différentes : la croûte (continentale ou océanique), le manteau et le noyau. Les enveloppes sont séparées par des discontinuitésphysiques et/ou chimiques. La lithosphère se distingue de l'asthénosphère sous-jacente par un comportement rigide. La température, la pression et la masse volumique varient avec la profondeur. Cette structure de la Terre résulte, d'une part de sa formation par accrétion de petits corps dont les météorites de type chondrite sont les vestiges, d'autre part de sa différenciation. À partir de l'étude d'affleurements, Limites : l'étude détaillée des météorites n'est pas au programme. mise en évidence des textures et compositions chimiques Composition chimique de la Terre : des échantillons naturels d'échantillons représentatifs des aux matériaux inaccessibles enveloppes accessibles de la Terre Seuls les matériaux de la croûte et du manteau supérieur sont :péridotites, granitoïdes, basaltes. observables à la surface de la Terre.Les enveloppes de la Terre, Expérience analogique de réflexion et de réfraction des ondes sismologiques sur une interface à l'aide d'ondes lumineuses. Mise en évidence de la zone d'ombresismologique due au noyau de la Terre. accessibles par échantillonnage, ont des compositions chimiquesdifférentes que l'on détermine à partir de l'étude de La taille relative de l'échantillon et roches représentatives. Ces roches sontformées de minéraux et/ou des minéraux ou verre qui le de verre. constituent impose le choix de la quantité de roches à prélever pour La composition chimique des enveloppes de la Terre est dominée obtenir une composition chimique par un nombre limité d'éléments dits "majeurs" (Si, O, Mg, Fe, représentative de l'objet étudié. Ca, Na, K, Al). Calcul de la composition chimique du noyau,connaissant celle des météorites de type chondrite et celle des péridotites du manteau. Les principaux minéraux qui hébergent ces éléments sont : olivines, pyroxènes, feldspaths, quartz, amphiboles et micas.La composition chimique des roches est présentée en % massique d'éléments chimiques. Les matériaux du manteau profond et du noyau sont inaccessibles. On peut néanmoins, par des modèles et des raisonnements qui tiennent compte de la formation de la Terre à partir des chondrites, préciser leurs compositions. Limites : la structure détaillée des minéraux et la minéralogie exhaustive ne sont pas au programme. La lithosphère et la tectonique des plaques (durée indicative : 2 semaines) Découpage de la lithosphère en plaques d'épaisseur variable, peu déformables à l'exception de leurs limites Les fondements de la tectonique Le relief de la Terre, la distribution géographique des volcans et des plaques(Wegener et la dérive des séismes, les contours des bordures continentales sont des des continents, Vineet Matthews) : signatures de la tectonique des plaques. lecture critique de documents historiques. Mouvements relatifs des plaques : divergence au niveau des dorsales océaniques où elles se forment, convergence dans les zones de subduction et de collision où elles disparaissent, coulissage le long des failles transformantes Calcul des vitesses et sens de Différentes données géologiques (âges des sédiments des fonds déplacementdes plaques océaniques, alignement desvolcans de points chauds, anomalies lithosphériques à partir de données magnétiques) permettent de reconstruire les directions et les géologiques. Exploitation de la vitesses des mouvements des plaques ainsi que leurs variations carte des âges du fond des océans : pour les 180 derniers millions d'années de l'histoire de la Terre. symétrie des âges dans l'océan Atlantique -dissymétrie des âges Ces directions et vitesses sont mesurables sur des échelles de dans l'océan Pacifique ;largeur temps de quelques années parles techniques de positionnement variable d'un océan à l'autre par satellites (GPS : Global Positioning System). dessédiments d'âge donné, alignements devolcans de points Le modèle de la cinématique globale des plaques, fondé et chauds. Mise en évidencedes construit sur des observations géologiques et géophysiques, est variations des vitesses dans validé et affiné par ces mesures pratiquement l'espace et dans le temps. instantanées.L'étude de la divergence se fait en classe de première. La convergence est présentée en classe de première et sera développée en classe terminale. Calcul de vitesse et sens de déplacementdes plaques à partir de données GPS.Réalisation d'un document de travailrécapitulatif qui constitue une référence que l'élève va utiliser et approfondir dans sa progression, au cours des années de première et de terminale. Limites : les détails des techniques de positionnement GPS ne sont pas au programme. Divergence et phénomènes liés (durée indicative : 3 semaines) Formation et divergence des plaques lithosphériques au niveau des dorsales océaniques. Expériences analogiques de Activités tectoniques et magmatiques associées tectonique en extension et - Tectonique : la morphologie, la présence de séismes et les comparaison avec les observations failles normales qui structurent les dorsales océaniques attestent géologiques. de mouvements en extension. Des péridotites aux basaltes. - Magmatisme : les dorsales océaniques sont le siège d'une Formation des basaltes par fusion production importante de magma : de l'ordre de 20 km3 par an. partielle des péridotites. Ces magmas sont issus de la fusion partielle des péridotites du manteau induite par décompression. Ils sont de nature basaltique. La fusion partielle leur donne une composition chimique Nature et chimie de la lithosphère différente de celle de la roche source. Le refroidissement plus ou océanique : roches initiales, roches moins rapide des magmas conduit à des roches de textures hydratées et/ou déformées. différentes (basaltes/gabbros). En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, Nature des roches sédimentaires s'hydrate et s'épaissit. des marges passives et des fonds océaniques : enregistrement de - Marges passives des continents : elles sont structurées par des l'histoire d'un océan. failles normales et sont le siège d'une sédimentation importante. Elles ont enregistré l'histoire précoce de la rupture continentale et de l'océanisation. L'activité des failles normales, héritage de rifts continentaux,témoigne de l'amincissement de la lithosphère et de sa subsidence. La machinerie thermique de la Terre (durée indicative : une semaine) Dissipation de l'énergie interne de la Terre Le flux de chaleur en surface en est la manifestation principale. La chaleur interne a pour origine essentielle la désintégration de certains isotopes radioactifs. Expérience analogique de Convection du manteau terrestre convection. La fabrication de la lithosphère océanique, la subduction et les mouvements des plaques lithosphériques sont les manifestations d'une convection thermique à l'état solide du manteau (transport de chaleur par mouvement de matière). Les dorsales océaniques traduisent des courants montants chauds de matériel du manteau. Estimation de la quantité de laves Les plaques en subduction traduisent des courants descendants émise parun point chaud (ex : froids. trapps du Deccan ou plateaux Points chauds océaniques) à partir de cartes et Le magmatisme lié aux points chauds marque la remontée decoupes géologiques. ponctuelle de matériel du manteauprofond. Il s'exprime par des Comparaison avec laquantité de éruptions massives de laves basaltiques (plateaux océaniques, basaltes produite par le trapps, alignements insulaires). volcanisme des dorsales océaniques. La classe sur le terrain, une démarche scientifique (durée indicative : une semaine) La sortie de terrain a pour objectif d'observer des affleurements, de s'approprier logiquement l'information géologique et les questions qu'elle soulève, de sensibiliser l'élève à l'importance de la collecte des données de terrain. Le contexte et les problèmes géologiques choisis doivent se rattacher au contenu du programme. Cette sortie géologique a également pour objectif une approche concrète de la diversité morphologique des végétaux en liaison avec leur environnement. SCIENCES DE LA VIE THÈME GÉNÉRAL : DES PHÉNOTYPES À DIFFÉRENTS NIVEAUX D'ORGANISATION DU VIVANT Horaire : 20 semaines à raison de 2 heures de cours par semaine et 2 heures de travaux pratiques. Du génotype au phénotype, relations avec l'environnement (durée indicative : 6 semaines) Cette partie du programme s'appuie sur les connaissances acquises en classe de troisième (génétique) et de seconde (cellule et ADN). Elle permet d'approfondir les relations entre l'information génétique et les conséquences phénotypiques de son expression. À partir de l'analyse des diverses échelles permettant de définir un phénotype, il s'agit d'étudier les rôles respectifs des gènes et de l'environnement dans la réalisation de ce phénotype. L'importance des facteurs de l'environnement comme modulateurs de l'activité des protéines enzymatiques est rapprochée de la participation des protéines à la réalisation du phénotype. La relation entre gènes et protéines est établie. Elle permet de faire le lien entre la diversité allélique au sein d'une espèce et ses conséquences phénotypiques. Ce chapitre souligne que la diversité phénotypique au sein d'une espèce est le résultat d'interactions complexes entre la variabilité génétique et l'environnement. ACTIVITÉS ENVISAGEABLES Analyse d'un exemple comme la drépanocytose ou la phénylcétonurie...Comparaison de la structure des protéines en relation avec l'exemple étudié. Étude expérimentale de la catalyse enzymatique et de la double spécificité.ExAO : mesure de la vitesse initiale en fonction de la concentration du substrat d'une réaction enzymatique. NOTIONS ET CONTENUS La diversité des phénotypes Le phénotype peut se définir à différentes échelles : de l'organisme à la molécule. Les phénotypes alternatifs sont dus à des différences dans les protéines concernées. Des protéines actives dans la catalyse : les enzymes Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs biologiques. Elles présentent une doublespécificité : spécificité d'action et de substrat. Les modalités de leur action reposent sur la formation du complexe enzyme-substrat. Les propriétés des enzymes dépendent de leur structure spatiale. Des modifications de structure spatiale, déterminées soit par des changements de la séquence des acides aminés, soit par des conditions du milieu (pH, température, ions...), modifient leur activité. L'activité des enzymes contribue à la réalisation du phénotype. Exploitation de logiciels sur les modèles moléculaires et structures spatiales de protéines enzymatiques Limites : l'étude des coenzymes, l'étude de l'allostérie, les lois de et du complexe enzyme-substrat. la cinétique enzymatique, ne sont pas au programme. Simulation de l'actioncatalytique d'une enzyme. Utilisation de logiciels relatifs à : - la synthèse des protéines, - l'exploitation d'une banque de données sur divers gènes. La synthèse des protéines La séquence des acides aminés des protéines est imposée par l'information génétique située dans la molécule d'ADN.Un gène est défini comme une séquence de nucléotides d'un brin d'ADN déterminant la séquence d'un polypeptide donné. La molécule d'ADN d'un chromosome est le support de très nombreux gènes. L'expression de l'information génétique se fait en deux étapes : transcription et traduction. Au cours de la transcription, un ARN messager complémentaire du brin transcrit de l'ADN est synthétisé . La traduction permet la synthèse cytoplasmique de chaînes polypeptidiques. La séquence des acides aminés est gouvernée par celle des nucléotides de l'ARN messager suivant un système de correspondance, le code génétique. Ce code génétique est universel et dégénéré. La traduction débute au codon d'initiation et s'arrête au codon stop. Limites : la notion de gène morcelé, l'étude détaillée des mécanismes de la transcription et de la traduction ainsi que la maturation des ARN et des protéines, ne sont pas au programme. Analyse d'exemples : voie métabolique,pigments des yeux de drosophile, albinisme, pigments végétaux. Cas des drépanocytoses, des phénylcétonuries. Exemple d'un cancer, prédisposition familiale, rôle de l'environnement et de l'alimentation. Complexité des relations entre gènes, phénotypes et environnement Un phénotype macroscopique donné résulte de processus biologiques gouvernés par l'expression de plusieurs gènes. La mutation de l'un seulement de ces gènes peut altérer ce phénotype. Un même phénotype macroscopique peut donc correspondre à plusieurs génotypes. Chez un individu donné, l'effet des allèles d'un gène va dépendre également de l'environnement. La morphogénèse végétale et l'établissement du phénotype (durée indicative : 5 semaines) Le phénotype morphologique d'un individu est le résultat des interactions entre l'expression du génotype et son contrôle par l'environnement. L'établissement de ce phénotype met en jeu un ensemble de processus biologiques dont des gènes sont responsables (mitose, métabolisme cellulaire, action d'hormones, mise en place des structures de l'organisme). Les gènes gouvernent à la fois les grands traits de l'organisation et les détails de la structure, en permettant la synthèse de protéines spécifiques aux diverses échelles qui constituent l'organisme (cellules, tissus, organes, plan d'organisation). L'expression de ces gènes est soumise à des facteurs externes (abiotiques ou biotiques) dont la variabilité s'ajoutent à la diversité allélique pour aboutir à une diversité phénotypique individuelle. L'étude de la morphogénèse des végétaux permet d'aborder dans un cadre intégré ces différents phénomènes qui contribuent à l'établissement du phénotype. ACTIVITÉS ENVISAGEABLES Observation de ports différents de végétaux d'une même espèce et d'espèces différentes.Observation de ports de végétaux dans différentes conditions d'environnement (cf. sortie de terrain de géologie). NOTIONS ET CONTENUS La diversité morphologique des végétaux La morphologie d'un végétal dépend en partie des caractéristiques génétiques de l'espèce.En fonction de leur environnement, des individus d'une même espèce peuvent avoir une morphologie différente. Des réponses morphologiques semblables peuvent être obtenues avec des végétaux d'espèces différentes placés dans un même environnement. La morphogénèse associe la division et la croissance cellulaire au niveau de territoires spécialisés Réalisation d'expériences permettant d'identifier les zones de croissance enlongueur. Observation microscopique de méristèmes. La mitose est localisée dans les méristèmes. Elle permet de produire : - des cellules qui vont ensuite se différencier et participer à la croissance et à la structuration de l'organisme (feuilles, tiges, racines) ; - des cellules qui restent indifférenciées et qui vont à leur tour constituer des méristèmes (apical ou axillaire). Limites : la description détaillée des cellules différenciées, les mécanismes de la différenciation cellulaire et de l'organogénèse, la morphogénèse des feuilles, le contrôle du fonctionnement du méristème et la croissance en épaisseur, ne sont pas au programme. Réalisation de préparations et (ou) observation microscopique de cellules en mitose. Analyse de l'expérience de Meselson et Stahl. Exploitation de données sur les taux d'ADNà différents moments de la vie cellulaire. Réalisation de préparations et (ou) observation de cellules végétales. Mise en évidence de la paroi cellulosique : cellulose, lamelle moyenne. La mitose est un processus commun aux cellules eucaryotes Au cours de l'interphase du cycle cellulaire, la réplication de l'ADN s'effectue selon un mécanisme semi-conservatif, fondé sur la complémentarité des bases. Les structures cellulaires se modifient lors de la mitose. Chaque cellule fille issue de la mitose contient le même patrimoine génétique que la cellule initiale. Limites : le contrôle du cycle cellulaire n'est pas au programme. Dans la tige, la croissance cellulaire est contrôlée par une hormone : l'auxine La paroi des cellules végétales en extension est essentiellement composée de polysaccharides,dont la cellulose et les hémicelluloses. La pression de turgescence cellulaire et la plasticité pariétale Mise en évidence de la turgescence cellulaire. Obtention et/ ou observation de protoplastes. Étude des expériences historiques de la miseen évidence d'une hormone végétale :l'auxine. Réalisation et (ou) analyse d'expériences montrant le rôle de l'auxine sur la croissance différentielle entre les deux faces d'un organe. Réalisation et (ou) analyse d'expériences de clonage de végétaux. permettent la croissance cellulaire. L'auxine, facteur de croissance ou hormone végétale, contrôle la croissance cellulaire. Elle est synthétisée par l'apex des tiges. Elle possède une double action : - une action à court terme sur la plasticité pariétale ; - une action à plus long terme sur l'expression de gènes qui participent aux divers événements du métabolisme nécessaires à la croissance. Limites : les détails des mécanismes de synthèse et de construction de la paroi (métabolisme de la cellulose, de la construction de la paroi ainsi que la diversité des molécules qui la composent),les mécanismes détaillés des échanges hydriques et la notion de potentiel hydrique, les mécanismes moléculaires détaillés de l'action de l'auxine sur la paroi, ne sont pas au programme. Le développement du végétal est influencé par la répartition des hormones en interaction avec les facteurs de l'environnement La répartition inégale de l'auxine dans les tissus, conséquence d'un éclairement anisotrope, permet une croissance orientée. Les ramifications naturelles ou provoquées sont sous la dépendance d'un changement de répartition des hormones dans le végétal qui conduit à unchangement de morphologie. La totipotence des cellules végétales permet le clonage. Les proportions des différentes hormones (rapport des concentrations d'auxine et de cytokinine) contrôlent l'organogénèse (tige, racines). Limites : les mécanismes d'action des cytokinines ne sont pas au programme. La régulation de la glycémie et les phénotypes diabétiques (durée indicative : 3 semaines) Cette partie du programme a pour but de prolonger les connaissances acquises en classe de seconde sur l'adaptation de l'organisme aux variations de l'environnement (effort musculaire). Elle met en évidence le fait qu'une fonction physiologique, la régulation de la glycémie à court terme, est l'expression d'une information génétique multiple. Dans certains cas, des facteurs environnementaux tels que les déséquilibres alimentaires peuvent modifier cette régulation. Il s'agit d'envisager la glycémie comme un paramètre du milieu intérieur maintenu constant à court terme en fonction des besoins de l'organisme. Cette constance est le résultat de la mise en jeu de l'homéostat glycémique : système réglé, système réglant. Seule est étudiée la régulation de la glycémie à court terme après un jeûne de courte durée ou après un repas. L'intégration de la glycémie dans des boucles de régulation plus complexes, sous-tendant des processus de régulation à long terme, ne fait pas partie du programme. ACTIVITÉS ENVISAGEABLES Analyse de documents sur l'hyperglycémie provoquée. NOTIONS ET CONTENUS L'homéostat glycémique Malgré des variations importantes (prise alimentaire discontinue, consommation énergétiquevariable), la glycémie (grandeur réglée de l'homéostat) oscille en permanence autour Analyse de documents historiques sur d'une valeur physiologique voisine de 1g.L-1 (grandeur de la mise en évidence de la fonction consigne). glycogénique du foie. Expérience du foie lavé. Cette homéostasie glycémique nécessite une gestion des réserves de l'organisme. Mise en évidence du glycogène dans le foie. Les cellules et du pancréas endocrine sont des capteurs de la glycémie. En fonction des variations de la glycémie, elles émettent des messagers chimiques, les hormones glucagon et Analyse de documents historiques insuline. montrantla fonction endocrine du Le message hormonal est codé par la concentration pancréas. plasmatique de l'hormone. Les cellules cibles expriment les récepteurs spécifiques à ces Observation de coupes de pancréas. hormones. Étude de l'évolution de la sécrétion plasmatique d'insuline et du glucagon Sous l'action de l'insuline, le glucose est stocké sous forme de en fonction de la glycémie. glycogène dans le foie et les cellules musculaires squelettiques, ainsi que sous forme de triglycérides dans le foie et les adipocytes. Sous l'action du glucagon, le glucose est libéré par le foie dans le plasma . Cellules pancréatiques ( et ), hormones (glucagon et insuline) et cellules cibles constituent le système réglant de l'homéostat glycémique. Limites : - les mécanismes de transfert transmembranaire du glucose, - les autres paramètres stimulateurs de la sécrétion d'insuline et du glucagon, - l'augmentation de la capture des acides aminés et de la synthèse des protéines sous l'effet de l'insuline, - les autres hormones qui interviennent dans la régulation de la glycémie, - la régulation de la prise alimentaire et la physiologie du jeûne prolongé, - les mécanismes de la lipogenèse, ne sont pas au programme. Observation de coupes de pancréas d'animaux diabétiques. Étude de documents permettant une comparaison entre les diabètes de type 1 et de type 2. Analyse de données relatives aux jumeaux monozygotes, à la transmission familiale des diabètes. Analyse de données épidémiologiques. Les phénotypes diabétiques Au niveau métabolique, le phénotype diabétique est défini par une hyperglycémie (glycémie à jeun supérieure à 1,26g.L-1) . Sur le plan clinique, on distingue deux phénotypes : le diabètede type 1 et le diabète de type 2. Au niveau cellulaire, le diabète de type 1est caractérisé par la destruction totale des cellules secrétrices d'insuline. Le diabète de type 2 est dû à une insulinorésistance des cellules cibles de l'insuline ainsi qu'à un déficit de l'insulinosécrétion. De nombreux gènes sont impliqués dans le développement des diabètes. On peut avoir une prédisposition génétique à un phénotype diabétique. Les diabètes résultent de l'interactionentre ces gènes et des facteurs de l'environnement, en particulier l'alimentation. Dans lamajorité des cas, le diabète de type 2 se développe à la suite d'une obésité. La connaissance précise des gènes de susceptibilité aux diabètes et de leur polymorphisme entre dans le cadre de la médecine prédictive. L'utilisation de cette connaissance soulève des problèmes éthiques importants. Limites : l'étude détaillée du diabète de type 1, l'étude détaillée des divers polymorphismes géniques associés au diabète de type 2, ne sont pas au programme. La part du génotype et la part de l'expérience individuelle dans le fonctionnement du système nerveux (durée indicative : 6 semaines) Cette partie du programme a un double objectif : - d'une part, permettre l'acquisition de notions de base sur la communication nerveuse chez les mammifères et plus particulièrement chez l'homme ; - d'autre part, élargir la compréhension des relations entre le phénotype et le génotype d'un organisme. Les réactions comportementales, les représentations du monde que se construit un organisme grâce à son système nerveux, sont des aspects de son phénotype au même titre que ses caractéristiques physiques. Le réflexe myotatique fournit un exemple du déterminisme génétique impliqué dans l'organisation du système nerveux et les propriétés des neurones. Les approches suggérées de la plasticité du cortex cérébral attirent l'attention sur le fait que, depuis le tout début de sa mise en place jusqu'à la mort, l'organisation cérébrale inscrit dans sa structure l'histoire individuelle de l'organisme. Cette épigénèse, permise par les gènes, ouvre l'architecture corticale sur l'environnement physique et social. Elle fait de chaque individu même les vrais jumeaux - un être cérébralement unique, parce qu'en constante reconstruction. L'outil informatique est particulièrement utile pour aborder l'étude de ces sujets de neurophysiologie. Outre l'expérimentation assistée par ordinateur, il existe plusieurs logiciels de simulation, complémentaires les uns des autres, permettant de mettre les élèves en situation d'investigation. ACTIVITÉS ENVISAGEABLES NOTIONS ET CONTENUS Les propriétés intégratrices des centres nerveux et le fonctionnement des neurones Les circuits neuroniques médullaires mobilisés au cours du réflexe myotatique Le réflexe myotatique assure le tonus musculaire nécessaire au maintien de la posture. Le réflexe myotatique repose sur des populations neuronales : - les neurones afférents qui ont leurs corps cellulaires dans les ganglions des racines dorsales ; les extrémités de ces neurones afférents sont en liaison avec des récepteurs sensoriels : les fuseaux neuro-musculaires ; - les motoneurones des muscles étirés et les motoneurones des muscles antagonistes dont les axones aboutissent aux fibres musculaires effectrices ; - les interneurones inhibiteurs assurant les connexions entre les neurones afférents et les motoneurones des muscles Réalisation et étude de l'enregistrement antagonistes. du potentiel global d'un nerf par ExAO. Limites : l'étude détaillée du récepteur sensoriel et de la Analyse d'enregistrement de l'activité plaque motrice, l'étude détaillée de la structure et du électrique de fibres nerveuses issues fonctionnement des fibres musculaires, ne sont pas au des fuseaux neuromusculaires. programme. Utilisation de logiciels de simulation de l'activité nerveuse. Les potentiels d'action et les messages nerveux - Les signaux émis par les neurones sont des potentiels d'action La genèse de potentiels d'action repose sur l'existence d'un potentiel dit de repos, propriété commune à toutes les cellules. Un potentiel d'action est une inversion transitoire de la Étude de documents sur le message polarisation membranaire. Au coursde sa propagation le nerveux. long d'une fibre, le potentiel d'action conserve toutes ses caractéristiques. Réalisation et étude d'électromyogrammes relatifs au réflexe myotatique chez l'homme. Étude des supports anatomiques et cytologiques intervenant dans la réalisation du réflexe. Limites : les mécanismes ioniques sous-tendant la genèse du potentiel de repos et du potentiel d'action, la propagation des potentiels d'action par les courants locaux, ne sont pas au programme. Étude de documents relatifs à l'organisationde synapses et de la transmission synaptique. - Les messages nerveux Les messages nerveux (afférents et efférents) se traduisent au niveau d'une fibre par destrains de potentiels d'action, d'amplitude constante. Les messages nerveux sont codés par lafréquence des potentiels d'action et le nombre de fibres mises en jeu. Limites : les mécanismes de la transduction (potentiels de récepteurs, potentiels générateurs)ne sont pas au programme. Étude de résultats expérimentaux montrant la mise en jeu de synapses excitatrices et inhibitrices. Analyse de documents relatifs au déterminisme génétique de certaines formesd'insensibilité congénitale à la douleur. - Caractéristiques du fonctionnement des synapses Un message nerveux est transmis d'un neurone à d'autres neurones ou à des cellules effectrices par des synapses. Au niveau d'une synapse, le message nerveux présynaptique, codé en fréquence de potentiels d'action, est traduit en message chimique codé en concentration de neurotransmetteur. Les molécules de neurotransmetteur se fixent sur des récepteurs de la membrane post-synaptique ; cette fixation induit une modification de l'activité du neurone post-synaptique. Ce changement d'activité est à l'origine d'un nouveau message. Limites : les mécanismes ioniques liés à l'activité des synapses ne sont pas au programme. - Activité du centre nerveux Le traitement des messages afférents, en réponse au stimulus d'étirement à l'origine du réflexemyotatique, modifie la fréquence des potentiels d'action des motoneurones. Celle des motoneurones du muscle étiré est augmentée alors que celle des motoneurones des musclesantagonistes est diminuée, voire annulée. Les motoneurones et les interneurones du réflexe myotatique sont en connexion avec d'autres neurones que les neurones afférents issus des fuseaux neuro-musculaires. Dans certaines limites, la stimulation d'autres récepteurs sensoriels (par exemple les récepteurs nociceptifs) ou une commande volontaire peuvent inhiber le réflexe myotatique. Limites : les notions de potentiel post-synaptique excitateur et de potentiel post-synaptique inhibiteur ne sont pas au programme. La part du génotype dans le fonctionnement du système nerveux Le phénotype comportemental des réflexes (par exemple le réflexe myotatique et le réflexenociceptif d'évitement) est la conséquence de la mise en place, au cours du développement,des chaînes de neurones, sous le contrôle de l'information génétique. Le cortex sensoriel et la plasticité du système Étude de documents d'imagerie nerveux central cérébrale relatifs à l'activation du cortex L'information sensorielle générée à la périphérie est sensoriel. transmise au cortex sensoriel. Étude comparée des représentations corticales sensorielles chez deux espèces de mammifères. Dans le cortex somatosensoriel, chaque territoire de l'organisme est représenté. Cettereprésentation est déformée par rapport à la surface des territoires corporels. Les zones corticales concernées sont constituées de neurones interconnectés et organisés encolonnes. Étude de la représentation des vibrisses de rongeurs dans le cortex sensoriel et Des modifications de l'activité neuronale à la périphérie sa modification génétique et régulent l'organisation dynamiquedu cortex. Elles se épigénétique. traduisent par un remodelage des connexions synaptiques, témoin de la plasticité neuronale. Analyse de l'évolution de la La neuroplasticité est une propriété générale du système représentationcorticale des doigts des nerveux central. violonistes, occupation du "cortex visuel" chez les non voyants... Limites : les détails de l'organisation anatomique du cortex cérébral ne sont pas au programme.
